Propulsión. Waterjet

Un poco de historia

Desde que Bill Hamilton en 1955 instaló sobre una embarcación de 5.00 Mts., propulsada por un motor de 65 HP y que en las pruebas alcanzó una velocidad de 25 nudos, el sistema conocido como Waterjet se ha desarrollado como un nuevo sistema de propulsión que, actualmente, se utiliza con gran frecuencia para propulsar embarcaciones rápidas. v

Después de la primera experiencia en 1957 logra un hidrojet con las características actuales capaz de alcanzar 45 nudos, atrayendo la atención sobre este tipo de propulsión.Hamilton nunca se adjudicó el invento y siempre sostuvo que tal vez ese honor le corresponda a Arquímedes, que se acercó al concepto cuando inventó el tornillo para elevar agua.

Que es y como funciona la propulsión waterjet

El principio de conservación de la cantidad de movimiento, junto con el teorema de la acción y reacción, constituyen la base que ha permitido aplicar la propulsión por chorro de agua (waterjet) a la industria naval.

Lo anterior es posible, utilizando propulsores tipo chorro de agua (waterjets), que operan bajo el principio de impulso, es decir, que hidrodinámicamente estos se asemejan más a una bomba centrífuga de flujo semiaxial que a una hélice, a pesar que geométricamente son hélices entubadas, con las puntas de las palas más anchas para evitar pérdidas por circulación y estatores para alinear la vena de agua, que aspiran el agua desde el fondo del casco, y la expulsan cerca del espejo de popa del buque.

Una determinada masa de agua del mar es absorbida mediante una bomba de aspiración, siendo posteriormente acelerada en la tobera y expulsada de nuevo al mar por un conducto de pequeño diámetro, provocando la reacción del agua de mar, que se halla en reposo, produciéndose, así, el empuje necesario, para conseguir propulsar la embarcación.

Cuando el impulsor de la bomba es movido por el eje del motor diesel, impulsando el chorro de agua hacia atrás, el barco comienza a

moverse y con independencia de cuán rápido se mueva, el empuje generado depende únicamente de la cantidad de agua expelida por la bomba, que estará dada por la potencia y RPM del motor.

En el caso de la propulsión por hélice, tenemos que tener en cuenta que ésta es muy sensible a la velocidad y dirección del flujo del agua que le llega, estado del mar, viento, calado etc., lo que no sucede en el caso de los waterjet

La principal aplicación de los Waterjet está en buques que desarrollen más de 24 nudos. Por debajo de esta velocidad disminuyen considerablemente su rendimiento propulsivo y en ese caso es preferible una hélice.Ventajas en la utilización del sistema de propulsión con chorro de agua. La mayoría de las investigaciones realizadas han concluido que el sistema de propulsión con chorro de agua presenta su principal ventaja trabajando a altas velocidades, es decir, a partir aproximadamente de veinte nudos el sistema con chorro de agua se vuelve más eficiente que el sistema tradicional. Esto se refleja en la exigencia de potencia del sistema tradicional versus el sistema con chorro de agua, lo que puede ser entendido de una mejor manera analizando Por otro lado también se menciona la alta maniobrabilidad que puede ser obtenida desviando la dirección del chorro de agua, por lo que no es necesario instalar un engranaje reductor o inversor. Especialmente en sistemas que emplean turbinas de vapor, turbinas de gas y máquinas diesel, este hecho es uno de los principales atractivos que ofrece el sistema. Con un diseño apropiado, altas velocidades del eje pueden permitirse sin temor que se produzca cavitación. Además, la bomba puede ser escogida de una gran variedad para igualar las velocidades del motor instalado, permitiendo las aplicaciones de alta exigencia en maniobrabilidad. Asimismo todas las resistencias por apéndices pueden ser reducidas debido a la ausencia de un propulsor montado externamente. Vibraciones y ruido pueden también ser controlados fácilmente, logrando gran importancia en ciertas áreas de aplicación.

ventajas del sistema de propulsión con chorro de agua,

Reducción de la resistencia al avance, dependiendo del tipo de casco.

Ausencia de resistencia por apéndices Mejor maniobrabilidad Menor desgaste en la transmisión Reducción de la distancia de parada Reducción de requerimientos de potencia a grandes

velocidades (sobre 25nudos) Reducción de consumo de combustible para cruceros de

grandes velocidades Reducción de vibraciones Reducción del ruido a bordo Reducción del peso en algunos casos.

Desventajas

Puede ser menos eficiente que una hélice a baja velocidad. Más complejo que un sistema convencional, y por tanto más caro. Mayor peso en el barco a causa del agua que circula por la tubería. Perdidas por fricción en la tubería. La rejilla de entrada puede taparse con residuos, por ejemplo, las algas

marinas. También es posible que al invertir la dirección del chorro la potencia del

mismo dirigida hacia abajo puede erosionar el fondo marino causando problemas ambientales

Mantenimiento

Los sistemas de propulsión a chorro también requieren menos mantenimiento y menos calibración. En los sistemas de hélice con frecuencia se deben comprobar las hélices para asegurarse de que tienen la alineación correcta de modo que el barco consiga la máxima eficiencia y no sufrir daños. Además, las

hélices deben ser afiladas para que efectivamente puedan cortar el agua. Los sistemas de propulsión a chorro sólo tienen problemas si la boquilla se daña o se tuerce, que sólo conduce a una sustitución de la misma

FUNDAMENTO TEÓRICO DEL WATER JET

El propulsor a chorro de agua es una “hélice entubada”, típicamente de 3 a 7 palas según la eficiencia esperada, más silenciosa a alta velocidad que una hélice clásica (transfiere menos energía hidroacústica al medio marino).

 

Esta hélice de impulso, que actúa como una bomba de flujo mixto axial-radial, recibe agua por un conducto curvado desde una aspiración a ras del casco o la quilla, y la expulsa acelerando el chorro, utilizando el principio de conservación de la cantidad de movimiento junto al teorema de acción y reacción, a través de una tobera y un ducto de diámetro relativamente pequeño, situado en el espejo de popa. Al girar este impulsor, accionado por una fuente de poder externa al ducto, se arrastra un volumen de agua que produce una disminución de la presión en la aspiración del casco y genera una diferencia de velocidades entre

la del chorro expulsado y la del agua en la tobera, lo cual redunda en un aumento de la presión en la descarga. 

Esta diferencia de presiones es la que origina la fuerza de empuje en el buque.La parte más crítica de este sistema, es el ducto de aspiración.Su longitud no debe ser muy grande para evitar pérdidas de presión por fricción, pero tampoco debe ser muy corta porque la curvatura resultaría muy abrupta, con pérdidas de presión por aceleración.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE UNA PLANTA CODAG, O UNA DAGHD

La planta DAG-HD, supera la mayoría de los inconvenientes de una planta CODAG. Esta evita la sincronización mecánica de los motores Diesel con la turbogas, y por ello salva eventuales perturbaciones que pudieran ocurrir por un mal procedimiento de sincronización.

La ventajas de una planta CODAG de caja reductora cruzada, con un diseño más simple y compacto, pues se puede operar ambos ejes con un motor Diesel. 

Una planta CODAG, o una DAGHD, usando turbogas disponibles comercialmente, ajustadas a la respectiva potencia nominal, permite velocidades superiores a los 28 nudos en buques tipo fragata. Por tener motores Diesel más grandes, se puede operar con un sólo motor a velocidades de tránsito rápido, y ganar algunos nudos más con dos motores, y a partir de esa condición agregar la turbogas, en un proceso simple y confiable por las características propias de esta máquina térmica. 

Por encima, la eficiencia de una planta propulsora DAG-HD con water jet es superior a la de una planta CODAG, en gran parte el espectro de utilización, al tener las fuentes de poder ajustadas a las condiciones óptimas del propulsor respectivo, en especial si incluye cajas reductoras two step-gear en los motores Diesel.Un sistema de tres ejes propulsores, con tres fuentes de poder dedicadas pero independientes, y con dos de estas últimas interrelacionadas, es notablemente más confiable que una planta de dos ejes y tres fuentes de poder, y más confiable que dos plantas independientes, con dos fuentes de poder y un eje cada una, sin capacidad de cruzamiento. Por esta razón, hay mayor redundancia que en un buque de propulsión CODOG o CODAG de dos ejes independientes. Además, con hélices pequeñas se reduce el calado total y queda menos expuesto a varadas o golpes.

Desventajas son la exigencia de inspección y mantención del ducto de aspiración, lo que se simplifica con una compuerta de inspección desde el interior del buque. No obstante, como el buque opera hasta altas velocidades con los motores Diesel, el desgaste de este sistema es bajo. Además, un hombre puede inspeccionar la tobera y el impulsor del water jet en seco, caminando en su interior, con un leve encabuzamiento del buque.

Debido a la reducción de la carga en las ejes hélices y su menor tamaño, a la pequeña extensión del eje central, a la mayor simplicidad de la planta y a otros efectos, el costo de inversión de una planta DAG-HD resulta comparable al de una planta CODAG. El menor costo de operación, sin valorizar otras ventajas, la hace más rentable que la planta CODOG.

Asimismo, el water jet resulta práctico para ciertas operaciones especiales de baja firma acústica, y según sus materiales se puede lograr una baja firma magnética. Con estos atributos, se logra un buque más furtivo en todos sus planos, lo cual permite reducir el nivel de gasto en sistemas de autodefensa y guerra electrónica.Al instalar la turbogas cerca del espejo de popa y al no requerir del reductor cruzado, se libera un enorme volumen al centro del buque, donde el movimiento relativo es menor, el cual puede ser redestinado a habitabilidad, mando y control, armas adicionales, lanzadores verticales, etc., lo cual optimiza los accesos, la distribución eléctrica y el acondicionamiento de aire. Por último, simplifica el reemplazo del compresor y la turbina de poder.